DE10242385B4 - Inductive sensor unit - Google Patents

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Abstract

The invention relates to an inductive sensor unit having one or more sensor coils, which have been mounted on a printed circuit board in a planar manner. According to the invention, a change in the inductance of the sensor coils caused by leakage currents in the conductive actuator is correlated with the position of the actuator with regard to the distance from the sensor coil and with the overlapping of the sensor (at a fixed distance). This provides the basis for an inductive momentary contact switch and an inductive position switching device. The invention also relates to the evaluation of the inductance, e.g. of the momentary contact switch such as in inductive proximity switches by incorporating the inductive sensors in an oscillating circuit. Alternatively, the change in inductance can also be detected by a reactance measurement. A relative evaluation of the influence of adjacent sensor coils is carried out in position switching devices.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine induktive Sensoreinheit, die insbesondere für eine Positionsschaltvorrichtung brauchbar ist, die bei automatischen Fahrzeuggetrieben eingesetzt wird.The The invention relates to an inductive sensor unit, in particular for one Position switching device is useful in automatic Vehicle transmissions is used.

Bekannt im Stand der Technik ist ein Weg-Winkel-Sensor, insbesondere zur Bestimmung eines eingelegten Ganges im Kraftfahrzeugbereich, gemäß der Patentschrift DE 198 06 529 C2 . Der bekannte Weg-Winkel-Sensor weist vier Meßspulen auf, die in einer X-Y-Fläche auf einem Spulenträger in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet und an eine Auswerteelektronik angeschlossen sind. Der Sensor weist auch ein sogenanntes Target auf, das im Wesentlichen parallel zu der X-Y-Fläche relativ zu den Meßspulen bewegbar ist und dadurch in den Meßspulen Spannungen induziert. Aus den induzierten Spannungen kann die Auswerteelektronik den zurückgelegten Weg in Y-Richtung und den Winkel α des Targets in einer Z-X-Fläche ermitteln. Der bekannte Weg-Winkel-Sensor zeichnet sich dadurch aus, daß die jeweils gegenüberliegenden Meßspulen in einem Abstand zueinander angeordnet sind und die benachbarten Meßspulen sich jeweils zumindest teilweise überlagern.Known in the prior art is a path-angle sensor, in particular for determining an engaged gear in the automotive sector, according to the patent DE 198 06 529 C2 , The known path-angle sensor has four measuring coils, which are arranged in an XY surface on a bobbin at an angle of 90 ° to each other and connected to an evaluation. The sensor also has a so-called target, which is movable relative to the measuring coils substantially parallel to the XY surface and thereby induces voltages in the measuring coils. From the induced voltages, the transmitter can determine the distance traveled in the Y direction and the angle α of the target in a ZX surface. The known path-angle sensor is characterized in that the respectively opposite measuring coils are arranged at a distance from each other and the adjacent measuring coils each overlap at least partially.

In der älteren Anmeldung gemäß DE 101 25 278 C2 wird ebenfalls die Induktionsspannung als Sensorsignal verwendet. Die bekannten Konstruktionen haben den Nachteil, daß mehrere induktiv wirkende Sensorschleifen auf den Spulenträger aufzubringen sind, wie aus der nachfolgenden Hintergrundinformation ersichtlich ist.In the earlier application according to DE 101 25 278 C2 the induction voltage is also used as the sensor signal. The known constructions have the disadvantage that a plurality of inductively acting sensor loops are to be applied to the coil carrier, as can be seen from the following background information.

Aus dem Automobilbereich ist der vielfache Einsatz von mechanischen Schaltern bekannt, unter anderem in Schließsystemen, Bedienelementen der Armaturen, Sitzverstellungen, Spiegelverstellungen usw. Mechanische Schalter haben den Nachteil, daß sie nicht verschleißfrei arbeiten. Ihre Lebensdauer wird einerseits begrenzt durch den Materialabtrag des Kontaktmaterials, durch Materialveränderungen (Oxidation), durch Ablagerungen auf den Schaltkontakten in Folge mechanischer Reibung oder elektrischer Überlastung oder eines Lichtbogens beim Abschaltvorgang.Out In the automotive sector is the multiple use of mechanical Switches known, inter alia, in locking systems, controls fittings, seat adjusters, mirror adjustments, etc. Mechanical Switches have the disadvantage that they not wear-free work. Their lifetime is limited on the one hand by the material removal of the Contact material, through material changes (oxidation), through Deposits on the switch contacts as a result of mechanical friction or electrical overload or an arc during the shutdown process.

Eine besondere Form mechanischer Schalter sind mechanische Schleifschalter. Ein verschiebbarer Kontakt läuft über eine Schleifbahn und stellt damit je nach Position einen Kontakt zu wechselnden Anschlüssen her (sogenannte Kodierschalter). Im Fahrzeug auftretende Vibrationen führen bei einer derartigen Schaltkulisseneinheit zu einem erhöhten Verschleiß der Schleifkontakte und Schleifbahnen.A special form mechanical switches are mechanical grinding switches. A movable contact runs over one Sliding track and thus establishes contact with changing connections depending on the position (so-called coding switch). In the vehicle occurring vibrations to lead in such a shift gate unit to increased wear of the sliding contacts and sliding tracks.

In modernen Fahrzeugen werden Verstellmotore heute meist über verschleißfreie Leistungshalbleiter geschaltet, die dann allerdings wieder durch nicht verschleißfreie Schalter angesteuert werden. Um das System vollständig verschleißfrei zu gestalten, ist die Entwicklung von neuartigen Schaltern notwendig, die ohne mechanische Schaltkontakte (also mit Sensoren) arbeiten.In Today, variable displacement motors are usually used by wear-resistant power semiconductors switched, but then again by not wear-free switch be controlled. To make the system completely wear-free too design, the development of novel switches is necessary, which work without mechanical switching contacts (ie with sensors).

Bekannt im Stand der Technik sind Hall-Sensoren, die auf die Annäherung von Permanentmagneten reagieren und damit eine Schaltfunktion auslösen. Weiterhin bekannt ist die Verwendung von GMR-Sensoren, die auf dem Effekt einer Widerstandsänderung beruhen, die durch ein äußeres Magnetfeld hervorgerufen wird. Das äußere Magnetfeld kann einem Permanentmagneten oder einem magnetisierbaren Kunststoff entstammen und entsprechende Schaltfunktionen veranlassen.Known In the prior art Hall sensors are based on the approach of Permanent magnets react and thus trigger a switching function. Farther known is the use of GMR sensors on the effect a resistance change due to an external magnetic field is caused. The external magnetic field can come from a permanent magnet or a magnetizable plastic and cause appropriate switching functions.

Weiterhin ist der Einsatz von Lichtschranken und Reflexlichtschranken bekannt, die den Nachteil haben, daß sie störlichtempfindlich sind und daß die optischen Bauteile altern und leicht verschmutzen können. Der Einsatz solcher Sensoren hat ferner den Nachteil, daß sie im Vergleich zu mechanischen Schaltern und zu induktiven Schaltern teuer sind.Farther is the use of photoelectric and retro-reflective sensors known, which have the disadvantage that they störlichtempfindlich are and that the optical Components can age and become dirty easily. The use of such sensors also has the disadvantage that they compared to mechanical switches and inductive switches are expensive.

In Schaltelementen wird als Träger für Beleuchtungen, Anzeigen oder mechanische Schalter oft eine kostengünstige Leiterplatte verwendet. Das Vorhandensein einer solchen Leiterplatte begünstigt den Einsatz der vorliegenden Erfindung. Als kostengünstige Möglichkeit ist das in der älteren Anmeldung gemäß DE 101 25 278 C2 verwendete Wirkungsprinzip der induktiven Kopplung zweier auf der Leiterplatte aufgebrachter Sensorspulen und deren Bedämpfung durch einen leitfähigen Betätiger vorangemeldet. Dabei korreliert die Bedämpfungsstärke mit der Position des Betätigers relativ zu den Sensoren. Nachteilig an dieser Technologie kann sich auswirken, daß die Sensoren in der praktischen Ausführung eine Mindestgröße von ca. 10 mm × 10 mm auf der Leiterplatte haben müssen, damit eine annehmbare Kopplung erreicht werden kann und damit die Aufbereitungselektronik einfach und kosteneffektiv gestaltet werden kann. Bei den derzeit kostengünstig produzierbaren Leiterplatten wird eine örtliche Auflösung von 0,12 mm erreicht, d.h. die Leiterbreite der Sensorwicklungen kann maximal 0,12 mm betragen, ebenso wie die Isolierbreite zwischen den Wicklungen. Dadurch bedingt kann die Sendespule wie auch die Empfangsspule der Sensoren nur ca. 5 Windungen aufweisen.In switching elements is often used as a carrier for lighting, displays or mechanical switches, a cost-effective circuit board. The presence of such a circuit board favors the use of the present invention. As a cost-effective option that is in accordance with the earlier application DE 101 25 278 C2 used principle of the inductive coupling of two mounted on the circuit board sensor coils and their attenuation by a conductive actuator pre-registered. The damping strength correlates with the position of the actuator relative to the sensors. A disadvantage of this technology can be that the sensors in the practical embodiment must have a minimum size of about 10 mm × 10 mm on the printed circuit board, so that an acceptable coupling can be achieved and thus the processing electronics can be made simple and cost-effective. In the currently inexpensive producible circuit boards, a local resolution of 0.12 mm is achieved, ie the conductor width of the sensor windings can be a maximum of 0.12 mm, as well as the insulation width between the windings. As a result, the transmitting coil as well as the receiving coil of the sensors only have about 5 turns.

Aus den Druckschriften DE 85 11 7 31 U1 , EP 805 339 A1 und US 6 175 232 B1 sind Feldspulen und Aufnehmerspulen nach dem Transformatorprinzip bekannt. Die Sendespulen und Empfangerspulen sind durch eine induktive Kopplung M miteinander verbunden. Die vorliegende Erfindung setzt sich von einem mit der Kopplungsinduktivität M arbeitenden Stand der Technik, der in sekundären Messspulen Spannungen induziert, ab und beschränkt sich auf die Selbstinduktivität L einer Spule, die jeweils Teil eines LC-Schwingkreises ist.From the pamphlets DE 85 11 7 31 U1 . EP 805 339 A1 and US 6 175 232 B1 Field coils and pickup coils are known according to the transformer principle. The transmitting coils and the receiving coils are connected to each other by an inductive coupling M. connected. The present invention is based on a state of the art working with the coupling inductance M, which induces voltages in secondary measuring coils, and is limited to the self-inductance L of a coil, which is in each case part of an LC resonant circuit.

Die genannte US-Schrift lehrt, unerwünschte Kapazitäten (parasitäre Kopplungskapazitäten und parasitäre Parallelkapazitäten) zu unterdrücken oder zu kompensieren, d.h. zugehörige Resonanzen zu unterdrücken und auf das Transformatorprinzip zu setzen.The mentioned US patent teaches, unwanted capacities (parasitic coupling capacitances and parasitic parallel capacitances) suppress or to compensate, i. associated Suppress resonances and to put on the transformer principle.

Demgegenüber machen die Druckschriften EP 447 653 A1 , FR 2 803 030 A1 und WO 02/01159 A1 von dem Prinzip einer Induktivitätsänderung in einem Schwingkreis Gebrauch.In contrast, make the pamphlets EP 447 653 A1 . FR 2 803 030 A1 and WO 02/01159 A1 uses the principle of an inductance change in a resonant circuit.

Bekannt ist aus den zuletzt genannten Schriften die Verwendung einer zweiten Spule als Differentialgeber zur Erhöhung der Genauigkeit. Es geht in diesen Druckschriften um die Gewinnung einer analogen Messgröße, die einem Weg oder Winkel proportional ist. Die bekannten Stellungsgeber sind so ausgelegt, dass sie möglichst linear arbeiten, d.h., dass der zu messende Weg oder Winkel sich in einem elektrischen Signal abbildet. Beispielsweise greifen die aus den Druckschriften FR 2 803 030 A1 und WO 02/01 159 A1 bekannten Spulen (die Spulen liegen sich differentiell gegenüber) möglichst stark ineinander. Demgegenüber befasst sich die vorliegende Erfindung mit Schaltern. Die Schalter sind entweder Tastschalter oder Positionsschaltvorrichtungen. Wegen der nicht-linearen Schaltfunktion sind bei der Erfindung die Sensorspulen und das Betätigungselement auf eine räumliche Trennung hin ausgelegt, und zwar so, dass das Schaltkriterium an der Umschaltschwelle (Minimum der Amplitude) möglichst deutlich ausgeprägt ist. Die Maxima zwischen den einzelnen Kennlinien sind so weit voneinander getrennt, dass eine exakte Positionserkennung möglich ist. Im Unterschied zum bekannten Prinzip des linearen Differentialgebers werden bei der vorliegenden Erfindung nichtlineare Schalter nicht realisiert.It is known from the last-mentioned writings, the use of a second coil as a differential encoder to increase the accuracy. These publications are concerned with obtaining an analogue measured quantity which is proportional to a path or angle. The known position sensors are designed so that they operate as linearly as possible, ie, that the path or angle to be measured is reflected in an electrical signal. For example, from the pamphlets FR 2 803 030 A1 and WO 02/01 159 A1 known coils (the coils are differentially opposite each other) as closely as possible. In contrast, the present invention is concerned with switches. The switches are either push buttons or position switching devices. Because of the non-linear switching function, the sensor coils and the actuating element are designed for a spatial separation in the invention, in such a way that the switching criterion at the switching threshold (minimum of the amplitude) is pronounced as clearly as possible. The maxima between the individual characteristic curves are so far apart that exact position recognition is possible. In contrast to the known principle of the linear differential transmitter, non-linear switches are not realized in the present invention.

Hierzu geht die Erfindung von der bereits genannten Schrift EP 4 47 653 A1 aus. Bei diesem bekannten induktiven Winkelstellungsgeber fehlt es an einem Verriegelungsmechanismus, wie er zu einem Tastschalter gehört, und es fehlt an einer Abstandsänderung zwischen Betätigungselement und Sensorspule, die durch Tastendruck verriegelbar wäre. Die Druckschrift zeigt zwar eine Auswerteschaltung, jedoch löst die Induktivitätsänderung der Spulen keine Schaltfunktion aus. Vielmehr liefert die Verarbeitungsschaltung an ihrem Ausgang ein Tastverhältnis T, das proportional zu der zu ermittelnden Drehwinkelstellung ist.For this purpose, the invention of the above-mentioned document EP 4 47 653 A1 out. In this known inductive angle position transmitter lacks a locking mechanism, as he belongs to a push button, and it lacks a change in distance between the actuator and the sensor coil, which could be locked by pressing a button. Although the publication shows an evaluation circuit, however, the inductance change of the coils does not trigger a switching function. Rather, the processing circuit supplies at its output a duty cycle T, which is proportional to the angular position to be determined.

Im Vergleich zu dem bekannten Drehwinkelmesser fehlt es auch an einem Wählhebel und einem Betätigerschlitten. Ferner sind im Stand der Technik zwei Sensorspulen differentiell benachbart und es fehlt an einer Offenbarung mehrerer getrennter Sensorspulen, wobei jede Sensorspule für eine Schaltposition stehen würde. Die bekannten Sensorspulen sind nicht für ein optimales Schaltkriterium arrangiert.in the Compared to the known rotary angle meter, it lacks a selector lever and an actuator carriage. Furthermore, in the prior art two sensor coils are differential neighboring and lacks a revelation of several separate Sensor coils, each sensor coil standing for a switching position would. The known sensor coils are not for an optimal switching criterion arranged.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Induktivität einer Sensorspule durch einen über die Spule gebrachten Betätiger zu beeinflussen und diese Induktivität in einfacher Weise als Schaltkriterium auszuwerten. Die Induktivität einer Spule ändert sich erheblich durch ein leitfähiges Betätigungselement, das gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 einen veränderlichen Abstand zu der Sensorspule und/oder eine veränderliche Überdeckung der Sensorspule aufweist. Die Aufgabe wird durch einen induktiven Tastschalter mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch eine induktive Positionsschaltvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 2 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.The The object of the invention is the inductance of a Sensor coil through an over the coil brought actuator to influence and evaluate this inductance in a simple manner as a switching criterion. The inductance a coil changes significantly by a conductive Actuator that according to independent claims 1 and 2 a changeable Distance to the sensor coil and / or a variable coverage of the sensor coil having. The task is performed by an inductive push-button switch the features according to claim 1 and by an inductive position switching device with the features according to claim 2 solved. Appropriate further education are in the dependent claims Are defined.

Eine ungedämpfte Sensorspule mit dem Außenmaß 10 mm × 10 mm, die auf der Leiterplatte wie eine rechteckige Spirale von innen nach außen gewickelt ist, weist bei der auf der Leiterplatte erzielbaren Auflösung 10 Windungen und eine Induktivität von ca. 1 μH auf.A undamped Sensor coil with external dimension 10 mm × 10 mm, on the circuit board like a rectangular spiral from the inside outward is wound, at the achievable on the circuit board resolution 10th Turns and an inductance of about 1 μH on.

Zwar ist es aus der Druckschrift GB 1 415 644 bekannt, die Impedanz einer Spiralstruktur als Sensor zu verwenden, jedoch ist die bekannte Spiralstruktur bifilar gewickelt, um die ohmsche Komponente der Spiralimpedanz auszunutzen und um die induktive Komponente der Spiralimpedanz auszuschalten. Im Unterschied dazu ist die Sensorspule gemäß der Erfindung monofilar gewickelt, wie sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung anhand der Figuren ergibt.Although it is from the publication GB 1 415 644 It is known to use the impedance of a spiral structure as a sensor, however, the known spiral structure is bifilar wound to take advantage of the resistive component of the spiral impedance and to turn off the inductive component of the spiral impedance. In contrast, the sensor coil according to the invention is wound monofilar, as will be apparent from the following detailed description with reference to FIGS.

1 zeigt die planare Ausführung einer Sensorschleife auf einer Leiterplatte zusammen mit dem elektrotechnisch äquivalenten Symbol. 1 shows the planar design of a sensor loop on a printed circuit board together with the electrotechnically equivalent symbol.

2 zeigt ein funktionelles Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem LC-Schwingkreis als Auswerteschaltung. 2 shows a functional block diagram of a sensor according to the invention with an LC resonant circuit as an evaluation circuit.

3 zeigt ein funktionelles Blockschaltbild mit einem LC-Schwingkreis und mit zwei Sensoren zur Detektion eines Verschiebewegs y. 3 shows a functional block diagram with an LC resonant circuit and with two sensors for detecting a displacement path y.

4 zeigt eine typische Kennlinie für die Schwingfrequenz mit einem ersten Sensor L1 gemäß 3 und einem zweiten Sensor L2 gemäß 3 als Funktion des Verschiebeweges y. 4 shows a typical characteristic for the Oscillation frequency with a first sensor L1 according to 3 and a second sensor L2 according to 3 as a function of the displacement path y.

5 zeigt eine Schaltkulisse für ein Kraftfahrzeug mit einem Automatikwählhebel, der an eine Sensoreinheit gemäß 3 angeschlossen ist. 5 shows a shift gate for a motor vehicle with an automatic selector lever, which is connected to a sensor unit according to 3 connected.

6 zeigt das Schema einer Leiterplatte mit mehreren Sensoreinheiten für die Schaltkulisseneinheit gemäß 5. 6 shows the diagram of a circuit board with a plurality of sensor units for the shift gate unit according to 5 ,

7 zeigt das Blockschaltbild einer elektronischen Einheit, wenn mehrere induktive Sensoren kombiniert werden. 7 shows the block diagram of an electronic unit when multiple inductive sensors are combined.

8 zeigt die Amplituden der Sensorsignale der verschiedenen Schalteinheiten bei Schaltvorgängen des Automatikwählhebels von der Position 1 bis zur Position 4. 8th shows the amplitudes of the sensor signals of the various switching units during switching operations of the automatic selector lever from position 1 to position 4.

9 zeigt ein ähnliches Schema einer Leiterplatte wie in 6, jedoch mit einer redundanten Schalteinheit. 9 shows a similar scheme of a printed circuit board as in 6 , but with a redundant switching unit.

Gemäß 1 ist eine Sensorspule planar auf einer Leiterplatte aufgebracht. Der Anschluß im Mittelpunkt der Spirale ist beispielsweise auf der Rückseite der Leiterplatte herausgeführt. Deckt man den Sensor gemäß 1 mit einem leitfähigen Betätiger im Abstand x von beispielsweise x = 0,05 mm ab, so verringert sich die Induktivität von beispielsweise ca. 1 μH auf beispielsweise ca. 0,2 μH.According to 1 is a sensor coil mounted planar on a circuit board. The connection in the center of the spiral is led out, for example, on the back of the circuit board. Cover the sensor according to 1 With a conductive actuator at a distance x of, for example, x = 0.05 mm, the inductance decreases from, for example, approximately 1 μH to, for example, approximately 0.2 μH.

Die Verringerung der Induktion durch den Betätiger B ist vom Abstand x des Betätigers B zur Sensorschleife abhängig; sie ist aber auch vom Überdeckungsgrad der Sensorschleife durch das Betätigerelement abhängig. Überdeckt der Betätiger die gesamte Fläche der Schleife in einem konstanten Abstand x, so wird die Amplitude der Sensorspannung bei dem Überdeckungsgrad von 100 % minimal, wobei die Größe der minimalen Sensorspannung von dem Abstand x abhängt.The Reduction of the induction by the actuator B is the distance x of the actuator B dependent on the sensor loop; but it is also on the degree of coverage the sensor loop through the actuator element dependent. About covers the actuator the entire area the loop at a constant distance x, so will the amplitude the sensor voltage at the coverage level of 100% minimal, with the size of the minimum Sensor voltage depends on the distance x.

Damit sind für den Schalter zwei Schaltmechanismen möglich:

  • – Der Überdeckungsgrad G wird auf einer definierten Größe gehalten, und der Abstand x zwischen dem Betätigerelement B und der Sensorschleife wird variiert (wie es z.B. in 2 dargestellt ist), oder
  • – der Abstand x wird konstant gehalten, und der Überdeckungsgrad G wird verändert (wie es z.B. in 3 dargestellt ist).
  • – Auch eine Kombination der beiden Schaltmechanismen ist möglich.
Thus, two switching mechanisms are possible for the switch:
  • - The coverage G is maintained at a defined size, and the distance x between the actuator element B and the sensor loop is varied (as in eg 2 is shown), or
  • - The distance x is kept constant, and the coverage G is changed (as in eg 3 is shown).
  • - A combination of the two switching mechanisms is possible.

Als kostengünstige Auswerteelektronik hinlänglich bekannt ist ein LC-Schwingkreis, bestehend aus einer Sensorinduktivität L, einer Festkapazität C und einem invertierenden Verstärker A, in dessen Rückkopplungszweig der LC-Schwingkreis eingebaut ist. Eine derartige Schaltung ist in 2 als Blockschaltbild dargestellt. Die Frequenz des Schwingkreises wird durch die Resonanzfrequenz des LC-Gliedes bestimmt nach der Formel:

Figure 00080001
As a low-cost evaluation well known is an LC resonant circuit consisting of a sensor inductance L, a fixed capacitance C and an inverting amplifier A, in the feedback branch of the LC resonant circuit is installed. Such a circuit is in 2 shown as a block diagram. The frequency of the resonant circuit is determined by the resonant frequency of the LC element according to the formula:
Figure 00080001

Ein nachgeschalteter Frequenzzähler FC bestimmt gemäß 3 die Schwingungen pro Zeiteinheit und gibt sie als Signalwert aus. Für eine einfache Schaltfunktion genügt es, mittels eines Komparators den aktuellen Frequenzwert mit einem Schwellwert zu vergleichen und damit die Schaltfunktion auszulösen. In einem gewöhnlichen Fall wird das Schaltsignal auf „1" gesetzt, wenn die Frequenz höher ist als eine eingestellte Grenzfrequenz, was einer geringeren Induktivität durch eine höhere Bedämpfung entspricht. Bei einer geringeren Frequenz gibt der Komparator eine „0" aus. Über einen nachgeschalteten Hoch-Niedrig-Schalter oder ein Relais R können dann hohe Leistungen geschaltet werden. Die Funktionen Frequenzzähler und Komparator können aber auch als sogenannte Firmware in einem Mikrocontroller realisiert werden.A downstream frequency counter FC determines according to 3 the oscillations per unit of time and outputs them as a signal value. For a simple switching function it is sufficient to compare the current frequency value with a threshold value by means of a comparator and thus to trigger the switching function. In a usual case, the switching signal is set to "1" if the frequency is higher than a set cutoff frequency, which corresponds to a lower inductance due to a higher attenuation, and at a lower frequency the comparator outputs a "0". High power can then be switched via a downstream high-low switch or a relay R. The functions frequency counter and comparator can also be implemented as so-called firmware in a microcontroller.

Damit kann auf einfache Weise ein verschleißfreier Tastschalter in einer Bedieneinheit des Automobils realisiert werden. Das Bedämpfungselement wird gemäß 2 durch Druck auf eine Taste an den Sensor angenähert und dort mittels eines Verriegelungsmechanismus gehalten. Erst bei erneutem Druck auf den Tastenknopf wird die Verriegelung aufgehoben, und der Betätiger wird in seine Ruheposition in einem größeren Abstand zum Sensor gebracht (Kugelschreiberverriegelungsprinzip). So lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise Schalttaster wie etwa der Schalter für Warnblinker, Nebelleuchten, Heckscheibenheizung usw. realisieren.This can be realized in a simple way, a wear-free push-button in an operating unit of the automobile. The damping element is according to 2 approached by pressure on a button to the sensor and held there by means of a locking mechanism. Only when the button button is pressed again, the lock is released, and the actuator is moved to its rest position at a greater distance from the sensor (ball-point locking principle). Thus, switch buttons such as the switch for hazard lights, fog lamps, rear window heating, etc. can be realized in a simple and cost-effective manner.

In Applikationen, in denen sehr genaue Schaltpunkte erforderlich sind, sind oft die Temperatureinflüsse auf Verstärker, Kapazitäten, Komparatoren usw. problematisch. In temperaturstabilen Applikationen kann man diese Einflüsse umgehen, indem man zwei Sensoren nebeneinander auf einer Leiterplatte aufbringt und beide wechselseitig in den Schwingkreis einschaltet (vgl. 3). Das Zuschalten der Induktivität L1 oder L2 geschieht durch einen Schalttransistor oder Feldeffekttransistor oder MOSFET oder einen Analogmultiplexer AMUX. Wendet man eine relative Auswertung an, indem man als Schaltkriterium das Frequenzverhältnis der ersten Sensorfrequenz zur zweiten Sensorfrequenz verwendet, so fallen die Störeinflüsse heraus. Die Schaltung ist sehr temperaturstabil.In applications where very accurate switching points are required, often the temperature effects on amplifiers, capacitors, comparators, etc. are problematic. In temperature-stable applications, these influences can be circumvented by applying two sensors next to each other on a printed circuit board and switching them both into the resonant circuit (cf. 3 ). The connection of the inductance L1 or L2 is done by a switching transistor or field effect transistor or MOSFET or an analog multiplexer AMUX. If a relative evaluation is used by using the frequency ratio of the first sensor frequency to the second sensor frequency as the switching criterion, then the disturbing influences drop out. The circuit is very temperature stable.

Diese Schaltungsart erweist sich auch bei Applikationen als vorteilhaft, bei denen die Position y des Betätigers relativ zu den Sensorpositionen detektiert wird, während der Abstand x des Betätigers zum Sensor mehr oder weniger konstant gehalten wird (wie z.B. bei Weg-Winkel-Sensoren). Auch hier findet gemäß 3 eine relative Auswertung statt, die am besten, jedoch nicht ausschließlich, durch einen Mikrocontroller μC erfolgen kann.This type of circuit also proves to be the case Applications are advantageous in which the position y of the actuator is detected relative to the sensor positions, while the distance x of the actuator to the sensor is kept more or less constant (as in the case of path-angle sensors). Again, according to 3 a relative evaluation takes place, which can best, but not exclusively, be done by a microcontroller μC.

4 zeigt zwei typische Kennlinien der normierten Resonanzfrequenz als Funktion des Verschiebewegs y. In dem Verschiebebereich zwischen den Maxima der Kennlinien L1 und L2 kann der Mikrocontroller μC eine exakte Positionserkennung vornehmen. In weiteren praktischen Anwendungsfällen können noch mehr Sensoren zur Erkennung der Betätigerposition verwendet werden. 4 shows two typical characteristics of the normalized resonant frequency as a function of the displacement path y. In the shift range between the maxima of the characteristic curves L1 and L2, the microcontroller .mu.C can perform an exact position detection. In further practical applications, even more sensors can be used to detect the actuator position.

Sind in einem Anwendungsfall, wie er in 5 als Schaltkulisse für ein Kraftfahrzeug dargestellt ist, mehrere Positionen zu detektieren, so ist es zweckmäßig, mehrer induktive Sensoren als Funktionseinheit zu kombinieren. Am Beispiel der Umsetzung der Positionserkennung eines Automatikwählhebels sieht das wie folgt aus:
Unter der Blende wird eine Leiterplatte wie in 5 positioniert, auf deren Oberseite z.B. die Hinterleuchtung der Blendenanzeigen 1, 2, ... P montiert werden kann. Mit dem Automatikwählhebel AW (siehe 6), der durch einen Ausbruch in der Leiterplatte taucht, ist ein Betätigerschlitten BS verbunden, der auf der Unterseite der Leiterplatte LP plan aufliegt und auf dem ein Betätiger oder mehrere Betätiger (in 6 z.B. die Betätigerflächen BF1 und BF2) angebracht sind. Die Betätigerflächen werden in einem definierten Abstand über die verschiedenen Sensoreinheiten SE geschoben.Are in a use case, as in 5 is shown as a shift gate for a motor vehicle to detect multiple positions, it is useful to combine several inductive sensors as a functional unit. The example of the implementation of the position detection of an automatic selector lever looks like this:
Under the bezel will be a circuit board as in 5 positioned, on the upper side, for example, the backlight of the aperture displays 1, 2, ... P can be mounted. With the automatic selector lever AW (see 6 ), which emerges through an eruption in the printed circuit board, an actuator slide BS is connected, which rests flat on the underside of the printed circuit board LP and on which one or more actuators (in 6 Eg the actuator surfaces BF1 and BF2) are attached. The actuator surfaces are pushed over the different sensor units SE at a defined distance.

Bei der Kombination mehrer induktiver Schalter stellt sich das Blockschaltbild wie in 7 dar. Die zugehörigen Amplituden der Sensorsignale bei Schaltvorgängen des Automatikwählhebels sind in 8 für die Positionen 1, 2, 3 und 4 zu erkennen, wobei die normierte Schwingkreisfrequenz über dem Verschiebeweg P1-P4 für die Sensoren L1-L4 aufgetragen ist. Die jeweiligen Umschaltschwellen P1-P2, P2-P3 und P3-P4 sind eingetragen.When combining several inductive switches, the block diagram appears as in 7 The associated amplitudes of the sensor signals during switching operations of the automatic selector lever are in 8th for the positions 1, 2, 3 and 4, wherein the normalized resonant circuit frequency is plotted on the displacement path P1-P4 for the sensors L1-L4. The respective switching thresholds P1-P2, P2-P3 and P3-P4 are entered.

Auch eine sehr redundante und damit sichere Positionserkennung ist ohne großen Zusatzaufwand zu realisieren, wie z.B. in 9 dargestellt. Es wird vorgeschlagen, statt einer Sensoreinheit pro Position zwei Sensoreinheiten pro Position aufzubauen und die Signale zu vergleichen. Bei widersprüchlichen Ergebnissen wird die Auswerteeinheit die Schaltfunktion so ausführen, daß das gesamte System in einem sicheren Zustand gebracht wird. Die Leiterplatte kann dazu beispielsweise mit Sicherheitssensoreinheiten SSE gemäß 9 erweitert werden.Even a very redundant and thus secure position detection can be realized without much additional effort, such as in 9 shown. It is proposed to construct two sensor units per position instead of one sensor unit per position and to compare the signals. In case of contradictory results, the evaluation unit will perform the switching function so that the entire system is brought to a safe state. The circuit board can, for example, with safety sensor units SSE according to 9 be extended.

Die Auswerteeinheit für das Sensormodul wird in der Regel ein Mikrocontroller sein, der über eine Schnittstelle (CAN, LIN, etc.) die Schaltinformationen an die Steuerelektronik bzw. Leistungselektronik weitergibt.The Evaluation unit for The sensor module will usually be a microcontroller that has one Interface (CAN, LIN, etc.) the switching information to the control electronics or power electronics passes.

Vorzugsweise erfolgt die Signalauswertung insbesondere bei mehreren Sensorspulen über einen Multiplexer.Preferably the signal evaluation takes place in particular with multiple sensor coils via a multiplexer.

Claims (7)

Induktiver Tastschalter mit einem Verriegelungsmechanismus, einer Sensoreinheit (L, x) und einer Auswerteschaltung (C, A, FC, K, SL, R), wobei die Sensoreinheit (L, x) versehen ist mit einer Sensorspule (L), die auf einer Leiterplatte aufgebracht ist, und mit einem leitfähigen Betätigungselement, dessen Abstand (x) zu der Sensorspule (L) zwecks Änderung ihrer Induktivität durch Tastendruck veränderbar und verriegelbar ist, wobei die Induktivitätsänderung der Sensorspule (L) in der Auswerteschaltung (C, A, FC, K, SL, R) eine Schaltfunktion auslöst.Inductive key switch with a locking mechanism, a sensor unit (L, x) and an evaluation circuit (C, A, FC, K, SL, R), wherein the sensor unit (L, x) is provided With a sensor coil (L), which is mounted on a printed circuit board, and with a conductive Actuator its distance (x) to the sensor coil (L) for modification their inductance changeable by pressing a button and lockable, wherein the inductance change of the sensor coil (L) in the evaluation circuit (C, A, FC, K, SL, R) triggers a switching function. Induktive Positionsschaltvorrichtung mit einem Wählhebel (AW), einem Betätigerschlitten (BS), einer Sensoreinheit (L1, L2, y) und einer Auswerteschaltung (C, A, FC, μC, AMUX, R), wobei die Sensoreinheit versehen ist mit mindestens zwei Sensorspulen (L1, L2; SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, SEO, SEN, SER, SEP), die nebeneinander auf einer Leiterplatte (LP) aufgebracht sind, und mit mindestens einem leitfähigen Betätigungselement (BF1, BF2) an dem Betätigerschlitten (BS), dessen Überdeckung je zweier der Sensorspulen (L1, L2, usw.) zur Änderung ihrer Induktivitäten durch Verschiebung des Betätigerschlittens (BS) veränderbar ist, wobei die Induktivitätsänderungen der nebeneinander aufgebrachten Sensorspulen (L1, L2; SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, SEO, SEN, SER, SEP) in der Auswerteschaltung (C, A, FC, μC, AMUX, R) Schaltfunktionen auslösen, und wobei zur Bildung eines temperaturstabilen und exakten Schaltkriteriums nur jeweils eine der Sensorspulen (L1 oder L2 usw.) der Auswerteschaltung (C, A, C, μC, AMUX, R) zuschaltbar ist.Inductive position switching device with a selector lever (AW), an actuator slide (BS), a sensor unit (L1, L2, y) and an evaluation circuit (C, A, FC, μC, AMUX, R), the sensor unit being provided with at least two sensor coils (L1, L2, SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, SEO, SEN, SER, SEP), which are applied side by side on a printed circuit board (LP), and with at least one conductive actuator (BF1, BF2) on the actuator carriage (BS), whose overlap two each of the sensor coils (L1, L2, etc.) for changing their inductances by displacement of the actuator carriage (BS) changeable is where the inductance changes the sensor coils (L1, L2, SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, SEO, SEN, SER, SEP) in the evaluation circuit (C, A, FC, μC, AMUX, R) trigger switching functions, and wherein to form a temperature stable and exact switching criterion only one of the sensor coils (L1 or L2, etc.) of the evaluation circuit (C, A, C, μC, AMUX, R) is switchable. Induktive Positionsschaltvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine relative Auswertung der Beeinflussung von benachbart liegenden Sensorspulen mittels des beweglichen Betätigungselements.Inductive position switching device according to claim 2, characterized by a relative evaluation of the influence of adjacent sensor coils by means of the movable actuating element. Induktive Positionsschaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswertung der Sensorspulen über einen Multiplexer erfolgt.Inductive position switching device according to claim 2, characterized in that the signal evaluation of the sensor coils via a multiplexer he follows. Induktive Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Einbau der induktiven Sensorspulen in einen LC-Schwingkreis.Inductive switching device according to one of claims 1 to 4, characterized by an installation of the inductive sensor coils into an LC resonant circuit. Induktive Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Auswertung der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises, in welche die veränderliche Induktivität eingeht.Inductive switching device according to claim 5, characterized by an evaluation of the resonant frequency of the LC resonant circuit, in which the changeable inductance received. Induktive Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Einprägung eines Wechselstroms (I) konstanter Amplitude und konstanter Frequenz (f) in die Sensorspule und Messung der Spannungsamplitude (U) der Sensorspulen.Inductive switching device according to one of claims 1 to 4, characterized by the impressing of an alternating current (I) constant amplitude and constant frequency (f) into the sensor coil and measuring the voltage amplitude (U) of the sensor coils.
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